Industrielle Absorptionstechnik. Vorstellung BSU Hamburg Vattenfall Dipl.-Ing. Jan H. Engeland / JCI Industriekälte

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1 Industrielle Absorptionstechnik 1 Vorstellung BSU Hamburg Vattenfall Dipl.-Ing. Jan H. Engeland / JCI Industriekälte

2 Building Efficiency Johnson Controls Geschäftsbereiche Power Solutions Automotive Experience Gebäudetechnik Steuerungen + Kältesysteme Industriekälte (York / Sabroe seit 2005) Energiespeichersysteme Energiemanagement Batterien Autoinnenausstattung Steuerungen Systeme für Sicherheit + Komfort US$ 35 mrd. Umsatz in Mitarbeiter weltweit in Deutschland 2

3 Leistungsfähigste Produktpalette aller Anbieter weltweit Kälteanlagenbau und - service: Industrieniveau / Alle Systeme / alle Kältemittel C / -100 C Absorbtionskältesätze Kaltwassersysteme Aggregateund Anlagenbau Turbokompressoren Schraubenverdichter Kolbenverdichter VRF- / Fluid- Klimasysteme 3

4 Absorptionskälte Was ist das? A B sorption: Aufnehmen eines Stoffes durch einen anderen Stoff => Mischung A D sorption: Anlagerung eines Stoffes an einen anderen Stoff (Oberfläche oder Phasengrenze) => keine Mischung Absorptionskälteanlagen: Kühlen durch Heizen / Thermische Verdichtung Ausnutzung der Lösungs- / Absorptionsfähigkeit eines Stoffpaares Absenken des Siedepunktes durch Unterdruck (Beispiel: H 2 O verdampft bei 8 mbar und 3,7 C) Kontinuierlicher Prozess Ein Absorber ist ein Wärmetransformator, KEIN Rückkühler! 4

5 Absorptionskälteanlage Allgemein Geschichte der Absorptionskälte 1810: Arbeitsstoffpaar H 2 SO 4 / H 2 O John Leslie 1859: Arbeitsstoffpaar NH 3 / H 2 O 1945: Arbeitsstoffpaar H 2 O / LithiumBromid John Leslie, Quelle: Wikipedia Arbeitsstoffpaare (1) H 2 O LiBr: 95 % aller Großanwendungen, Standard für Klimabereich (H 2 O > 4 C) (2) NH 3 H 2 O: Industrieanwendungen, NH 3 > - 60 C, auch mehrstufig, Sonderbau möglich 5

6 NH 3 / H 2 O Absorptionskältemaschine Kältemittel: NH 3 Lösungsmittel: H 2 O Kälte: > - 60 C Baugrößen: Beliebig, Mehrstufig Quelle: Colibri BV / Vaals - Niederlande Quelle: mattes engineering GmbH / Berlin 6

7 H 2 O / Lithiumbromid Absorptionsflüssigkeitskühler Kältemittel: H 2 O Lösungsmittel: LiBr Korrosionsinhibitor! Kälte: > + 4 C Baugrößen: kw Daten für kw (12 / 6 C) L x B x H: 6,8 x 1,6 x 2,6 m Gewicht: kg 7

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9 Verdampfer

10 Absorber

11 Lösungs-Temperaturwechsler

12 Austreiber

13 Verflüssiger

14 Prozess Druck ca. 80 mbar tc~45 C Verflüssiger ~37 C Kühlwasser Aus ~70 C Austreiber Heizmittel Ein Dampf oder Heißwasser Druck ca. 8,2 mbar ~95 C to~4 C Heizmittel Aus 6 C Verdampfer 12 C Kaltwasser Absorber ~32,5 C Animation ~70 C ta~35 C ~27 C Kühlwasser Ein Kaltwasser Kühlwasser Konzentrierte Lösung (LiBr) Verdünnte Lösung (LiBr) Dampf oder Heißwasser Kältemittel (Wasser) ~50 C 14

15 Zusammenfassung Arbeitsprinzip (1) Verdampfen des Kältemittels (H 2 O) unter Wärmeaufnahme (2) Aufnahme des Kältemittel Dampfes (H 2 O) durch LiBr. Lösung (3) Abzug schwache Lösung durch Lösungsmittel-Pumpe zum Austreiber (4) Auskochen Kältemittel aus schwacher Lösung durch Heizwasser/-medium => Kältemittel zum Kondensator, Lösungsmittel zurück zum Absorber (5) Kondensation Kältemittel Dampf (H 2 O) durch Kühlwasser (Kühlturm) (6) Abfluss Kältemittel Kondensat (H 2 O) zum Verdampfer Ein Absorber benötigt: Für Austreiber: Für Kondensator + Absorber: Für Pumpen und Kühlturmlüfter: Dampf (0 bis 2,5 bar ü ) oder Heißwasser ( C) (evtl. auch Abgas) Kühlwasser ~ 35 C (Abfuhr Heiz-, Aufgenommene- und Lösungswärme) Elektrizität Für das System gilt: Je dichter, je besser! Fertigungsqualität ist entscheidend!

16 An- und Abfahren eines Absorbers erreichte Kälteleistung [%] Zeit seit Zuschaltung [min] Zuschalten 15 Minuten bis Volllastbetrieb Abschalten Bis zu 10 Minuten Nachverdampfung - abhängig von Laststufe Das System ist träger als eine Kompressionskälteanlage Hydraulikkreislauf auf träge Regelung auslegen (Speicher oder Temperaturmanagement) Abstimmen auf Wärmequelle (Bereitstellung - Verbrauch) 16

17 Projektierung einer Absorptionskälteanlage - 1 Teillastverhalten: 100 % - 50 %: COP konstant ~ 0,7 => Bedarf Wärme = Kälteleistung / 0,7 20%: COP: ~ 0,2 Leistungsregelung über Dampf- / Heißwasserventil am Austreiber (~> Ausgedampfte Kältemittelmenge) (Richtwert: 10 Min. pro 20% Leistungsminderung (Nachverdampfung) Hochschalten erfolgt schneller) => Auslegung der Hydraulik auf träge und stabile (s.u.) Regelung 17

18 Projektierung einer Absorptionskälteanlage - 2 Vermeiden von Störungen Ursachen Stromausfall Zu kaltes Kühlwasser Abhilfe Wichtig: Stabile hydraulische Bedingungen! Kühlwasserregelung (3-Wege Beimischregelung) Keine Außenaufstellung Wärmeeintrag im Stillstand Inertgase Abstimmung Profil Wärmequelle / Absorber Absolute Dichtigkeit saubere Fertigung! Substanzen: NH 3 / H 2 O: Einhalten der gängigen Regelungen (~> EN 378: kg NH 3 pro Liegenschaft) H 2 O / LiBr: Unbedenklich kein Gefahrenstoff Korrosionsinhibitor: Für System Edelstahl Kupfer Elektrolyt (Li (-) ): Galvanische Korrosion Aufbau einer mehrstufige Opferschicht (Magnetit) gegen Korrosion [ Korrosion bedeutet: Undichten / Fremdgase, H 2 Entstehung, Zerstörung ] 18

19 Wirtschaftlichkeit Vergleich mit Kompressionskälte Kaltwassererzeugung kw (11 C / 5 C) h Volllast / Jahr Absorber R 134 a NH 3 Elektrizität ( 0,1 / kwh) 3.000, , ,-- Kühlwasser ( 2,-- / m³) / kw , , ,-- Abwasser ( 4,-- / m³) / kw , , ,-- Gesamt ohne Wärme (Wärme gratis, -abfuhr erfolgt über Rückkühlkreis) , , ,-- Mit externem Wärmebezug: Wärmebezug (0,03 / kwh) Kühlwasser (1.400 kw) Abwasser (1.400 kw) , , ,-- Wird die für den Absorber bereitgestellte Wärme in jedem Fall (auch ohne Absorber) zurückgekühlt? oder wird abgeblasen über Kamin? Gibt es Fördermittel? Gesamt mit Wärme , , ,-- Anlagenpreis , , ,-- Steht Abwärme zur Verfügung? - Ist Kühlwasser günstig verfügbar (Fluss / Brunnen)? Würde Abwärme ohne Absorber zurückgekühlt werden (oder würde Wärme über Kamin abgeblasen )? Wartung: Alle h (Haltbarkeit Füllung: Ca. 30 Jahre, abhängig von Fertigungsqualität) 19

20 Johnson Controls Systems & Service GmbH Komponentenvertrieb Dipl.-Ing. Jörg Theile Am Leineufer Hannover Tel: Mobil: Industrieanlagenbau Dipl.-Ing. Jan H. Engeland Merkurring Hamburg Tel: Mobil: